汽车发动机是为汽车提供动力的装置,是汽车的心脏,决定了汽车的动力、经济性、稳定性和环境性。根据动力来源的不同,汽车发动机可以分为柴油机、汽油发动机、电动汽车电机、混合动力等。

气缸体是汽车发动机的关键部件,气缸孔的高精度加工要求是限制发动机质量提高的问题,主要体现在气缸顶部、气缸孔和曲轴孔的几个方面。

有几个要点可以保证气缸体复杂生产过程的准确性。

我们来看一下使用具有自动补偿功能的加工中心,通过专用夹具进行夹紧、选择主要工艺工具、优化加工中心CNC和珩磨机程序、保证恒温恒湿生产条件等。

一、示例:气缸大小特性要求

下图显示了发动机最终产品尺寸图,包括气缸顶部、气缸孔和曲轴孔精加工尺寸。要求如下:

发动机最终产品尺寸示意图1

气缸顶部尺寸:气缸顶面到曲轴孔的距离尺寸公差为0.08 mm,顶部粗糙度为Rmax12.5 m,顶面曲轴孔的平行度为0.05 mm,顶部平面图为0.05 mm。

气缸孔尺寸:气缸孔直径公差为0~0.015 mm,气缸孔对曲轴孔垂直度为0.05 mm/150 mm,气缸孔加工位置精度为直径0.2 mm,气缸孔圆柱精度为0.01 mm,气缸孔粗糙度为Rz2~5 m。

发动机最终产品尺寸示意图2

气缸曲轴孔尺寸:曲轴孔的粗糙度为Rz10 m,直径公差0~0.018 mm,曲轴孔位置精度为直径0.2 mm,圆度0.005 mm,圆柱体也为0.005 mm,曲轴孔2、3、4档的同心度为0.008 mm

二、塔表面光整过程控制

1.气缸体的夹紧位置是根据产品图纸设计的。由于绘图尺寸基准是在先前工艺中加工的底面和底面两个定位销孔,圆柱体顶部加工位置基准是底面和底面两个定位销孔,因此消除了基准转换产生的精度误差。

2.由于块的空间大小很大,如果加工过程不紧,块会发生细微的晃动,严重影响加工精度,因此要在夹具上设计多个自锁辅助支撑点和夹紧夹,确保气缸夹具的力度不均匀。应避免因夹紧力不平衡而引起的加工后应力释放影响气缸平度。

3.加工中心增加了3点3检的空气检查方式,如果不能卡在原位,就及时报警,保证产品加工的稳定性。

4.块顶部精加工铣削,精密孔加工时使用立方氮化硼(CBN)刀片、铰刀。这些刀具具有使用寿命长、加工精度高、曲面粗加工参数值小、生产率高等优点。使用硬质合金刀片不能保证大批量生产条件下粗糙度的加工要求。电镀的硬质合金刀片加工100个以上,容易发生粗糙度分散,使用C。

BN刀片则效果要好很多,可以加工200件以上。

5.控制加工中心切削参数,优化CNC走刀路线,适当提高切削速度,可减少缸体顶面因进刀、出刀时吃刀量受力不均而造成的缸体前后端面平面度超差。

6.大盘铣削加工后,通过CNC控制程序及追加大毛刷,绕着缸体顶面沿铣刀加工路线刮一遍,剔除缸体毛刺。

7.车间温湿度控制。控制设定恒温20±2℃、相对湿度40%~60%,减少热胀冷缩对缸体精加工的影响。

缸体顶面精加工后的平行度、平面度、粗糙度检测报告如下所示。

▲缸体顶面尺寸检测报告

三、缸孔精加工各项工艺控制

缸体缸孔精加工尺寸要求高,是工艺制造控制的重点。为了保证缸孔珩磨的质量,需在珩磨前把缸孔直径尺寸公差控制在±0.01 mm,即只允许有20 μm的公差带通过气检后方能进来珩磨机进行铰珩,而在缸孔入珩磨前,需先在加工中心精镗缸孔到预定尺寸,其加工工序图如图所示。

▲加工工序图

精镗刀采用内冷结构,保证在切削过程中产生的热量及时被带走从而降低局部加工的温度、提高缸孔表面质量。

根据最终产品图纸对比,珩磨前工序缸体缸孔直径精镗后预留有0.04~0.05 mm 加工余量给后面珩磨机铰珩,粗糙度控制在 Rz10~20 μm,圆柱度控制在 0.015 mm,而位置度 直径 0.2 mm 和垂直度 0.05 mm/150 mm 与产品图纸一致,即在保证位置度和垂直度情况下通过铰珩来控制缸孔的粗糙度、直径、圆柱度。缸体缸孔精镗后通过在线气检设备检测缸孔直径,符合的产品通过机动辊道进入珩磨机。虽然进口缸孔铰珩设备(如德国某知名珩磨机)一次性投入较大,但后期加工成本极低,且加工质量稳定。

采用立式珩磨机进行加工。在加工过程中,珩磨头的油石在胀缩机构下作径向进给,把工件逐步加工到所需尺寸,珩磨头外周镶有 6~9 根铰珩砂条,粗珩可采用6根,精珩采用9根,长度约为缸孔长度 1/3~2/3。珩磨时往返速度控制在 25~35 m/min,珩磨效率较高,珩磨往复换向加速度越大,换向时所形成的圆弧过渡区域越小,珩磨网纹质量越高。

油石对孔壁的压力控制在0.3~0.5 MPa,珩磨油石压力的大小直接影响工件表面质量、油石磨损量和工件尺寸精度、表面粗糙度。

缸体缸孔精镗后经过粗珩和精珩可满足产品尺寸要求,珩磨后会产生20°~30°的珩磨网纹,对缸孔油膜的润滑油存储有很好的效果。缸孔珩磨后直径、位置度、圆柱度、垂直度、粗糙度检测报告如下所示。

四、曲轴孔精加工各项工艺控制

常用的汽油发动机最大转速可达6000 r/min对曲轴孔工艺要求高,为了保证曲轴孔珩磨的质量,需在珩磨前把曲轴孔直径尺寸公差控制在±0.015 mm,即只允许有0.03 mm的公差带通过气检后方能进来珩磨机进行平台珩,而在曲轴孔进入珩磨前,需先在加工中心精镗曲轴孔到预定尺寸,其加工工序图如图所示。


▲曲轴孔工序图

加工中心精镗刀采用内冷结构,由于曲轴孔深度大、达300 mm,故对镗刀要求也高,采用CBN材质刀片,其结构如图所示。


▲镗刀结构图

刀具选用很关键,选用了mapal品牌,该刀具上带有4根半精镗刀片和6根精镗刀片。在加工过程中,先由刀片扩引导孔,切削掉大部分余量,然后由半精镗刀片镗至 直径48.79 mm,留0.2 mm的余量给 直径 48.995 mm 刀片进行切削;

先镗曲轴孔第1档、第2档的位置,然后旋转转台,镗另一侧曲轴孔第5档、第4档、第3档的位置。根据最终产品图纸对比,珩磨前工序缸体曲轴孔直径精镗后预留有0.04~0.05 mm加工余量给后面珩磨机平台珩。

平台网纹的曲轴孔与普通珩磨的曲轴孔相比,磨合期缩短了 1/3~1/2,寿命提高 10%~20%,扭矩提高 5%,机油消耗降低 50%~60%。平台珩粗糙度控制在Rz10-20 μm,圆柱度控制在0.01 mm,而位置度 直径0.2 mm、圆度0.01 mm、同轴度0.008 mm,也通过平台珩达到产品尺寸要求。

为了保证尺寸精度,曲轴孔采用一次珩磨到位,即从第1档平台珩至第5档,同时进行旋转及往返运动。缸体曲轴孔珩磨后直径、圆度、位置度、同轴度、圆柱度、粗糙度检测报告如图所示。

▲曲轴孔尺寸检测报告

以上针对发动机缸体顶面、缸孔、曲轴孔精加工,采用自锁式夹具及辅助支撑设计,选用先进的刀具材料和刀具组合结构,控制加工温湿度,控制好加工工艺参数、切屑余量等工艺措施,保证了产品精加工精度要求,进而保证了产品装配与量产性能。

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